Soldabilidad Requerimientos para producir una buena unión y los problemas que pueden aparecer Aceros al carbón Estructura de los aceros al carbono Clasificación de los aceros al carbón Aceros al bajo carbono Aceros dulces Aceros de mediano carbono Aceros al alto carbono Consideraciones generales para la soldadura Aceros de baja aleación y alta resistenc resistencia ia (HSLA) Regiones presentes en la soldadura Zona Afectada por el Calor (ZAC) Relación entre diagrama Fe-Fe 3C y ZAC de una soldadura. Concepto de Carbono Equivalente Diagrama de Graville para evaluar la soldabilidad de los aceros
La soldabilidad es la aptitud que tiene un metal o aleación para formar uniones soldadas. No obstante, este término denota un grupo extremadamente complejo de propiedades tecnológicas y es también función del proceso. Es la facilidad con que un metal permite que se obtengan soldaduras sanas y homogéneas, que respondan a las l as necesidad para las que fueron concebidas incluyendo códigos de fabricación. Desde el punto de vista metalúrgico durante la soldadura en estado líquido en una región muy pequeña el material a ser soldado alcanza el estado líquido y luego se solidifica. El aporte térmico suministrado suministrado se utiliza para fundir el metal de aporte (si existe), fundir parcialmente el metal base y el resto se transfiere a través del metal de soldadura modificando la microestructura microestructu ra (y propiedades mecánicas) inicialmente presentes.
En el caso de la soldadura por fusión, la temperatura de fusión, el calor específico y el calor latente de fusión determinan la cantidad de calor que es necesario añadir. Una alta conductividad térmica permitirá una mayor rapidez de entrada de calor y un enfriamiento más rápido. La adición insuficiente de calor causa falta de fusión y, en secciones gruesas, penetración incompleta. La entrada de calor excesiva puede originar quemado (agujereado del material).
Los contaminantes superficiales, incluyendo óxidos, aceites, suciedad, pintura, provocan falta de enlace o conducen a porosidad por gas. Las reacciones indeseables con contaminantes superficiales o con la atmósfera se evitan sellando la zona de fusión con vacío, atmósfera inerte o escoria. Los gases liberados durante la soldadura pueden producir porosidad, porosidad, que debilita la unión. Particularmente peligroso es el hidrógeno que se origina de la humedad atmosférica o un fundente húmedo. Cuando se combina en forma molecular, causa porosidad en las aleaciones de aluminio. En la forma atómica se difunde en las puntas de las grietas y provoca fragilidad por hidrógeno del metal. Las grietas de solidificación aparecen bajo la influencia de esfuerzos en la soldadura cuando un líquido de bajo punto de fusión es expulsado durante la solidificación dendrítica. Las grietas de licuación a lo largo de las fronteras de grano se deben a la segregación de estado sólido de elementos de bajo punto de fusión.
La contracción por solidificación junto con la concentración concentració n sólida impone esfuerzos internos de tensión en la estructura y pueden originar distorsión y agrietamiento. El problema se puede aliviar con un material que aporte menos aleado y más dúctil que reduzca la fragilidad térmica. Las transformaciones transformaciones metalúrgicas son de gran importancia, especialmente cuando provocan la formación de fases frágiles como la martensita. Entonces, es esencial precalentar el metal base. El espesor de las partes que se van a unir y el diseño de la unión tienen una gran influencia sobre el calentamiento y enfriamiento, y por tanto sobre la soldabilidad.
No se puede generalizar sobre la soldabilidad de los materiales como pudiera hacerse con otras propiedades. Sin embargo se pueden formular algunas directrices.
Se sueldan fácilmente cuanto menor porcentaje de carbono haya; la formación de martensita es un riesgo en los aceros con alto contenido en carbono. La martensita no sólo es dura y frágil, sino que su formación procede con un incremento de volumen que impone esfuerzos adicionales en la estructura. El precalentamiento y, si es posible, el postcalentamiento son necesarios cuando la formación de martensita o vainita son inevitables. Alternativamente, la estructura puede calentarse dentro del rango austenítico, enfriarse por encima de la temperatura Ms y soldarse antes de que comience la transformación. Debe enfriarse rápidamente para obtener una martensita templada.
Desde el punto de vista de la soldabilidad los aceros al carbono y de baja aleación pueden dividirse en los siguientes grandes grupos: Aceros al carbono Aceros de baja aleación y alta resistencia mecánica (HSLA) Aceros templados y revenidos (bonificados) Aceros de baja aleación.
Para establecer satisfactoriamente la soldabilidad de estos aceros es importante tener en cuenta: Composición química del acero Propiedades mecánicas Condición de tratamiento térmico
Un acero acero al carbón es una aleación Fe-C en las que el % C normalmente no excede el 1,0% (en peso), con contenidos de Mn de hasta 1,65%. Y elementos como el Cu y Si de hasta 0,6%. Otros elementos de aleación normalmente están presenten como impurezas. La siguiente tabla muestra una clasificación de los aceros al carbono atendiendo a su % de C
Clasificación de los aceros al carbón Denominación
C
Dureza
Aplicaciones
Soldabilidad
Bajo Carbono
< 0.15%
60 HRB
Aplicaciones especiales
Excelente
Acero Dulce
0.15- 0.30
90 HRB
Estructuras
Buena
Mediano Carbono
0.30-0.50
25 HRC
Elementos de Máquinas y Herramientas
Regular (se requiere Precalentamiento y postcalentamiento
Alto Carbono
0.5-1.0
40 HRC
Muelles, Resortes , Matrices, rieles
En la tabla anterior se puede observar que la soldabilidad de un acero al carbón esta directamente determinado por el % C
Los aceros de bajo %C « 0,15% tienen baja templabilidad y por lo tanto son muy soldables ya sea a través de soldadura por fusión, soldadura fuerte o blanda; debido a que estos aceros pueden ser ser endurecidos endurecidos por deformación, es importante tener en cuenta que la soldadura. Puede ablandar significativamente la lAG. Así mismo, algunos aceros de bajo %C no desoxidados pueden presentar presencia de porosidad en el metal de soldadura, como consecuencia de la reacción del oxígeno y del carbono a elevadas temperaturas que produce gas CO, el cual permanece atrapado en la soldadura especialmente cuando la velocidad de soldeo es alta. Esto puede ser evitado o reducido empleando materiales de aporte que contengan elementos desoxidantes (Al, Mn, Si).
Los aceros conteniendo de 0,15 a 0,3% C son llamados comúnmente aceros "dulces". Los aceros con menos de O,2% C y 1 %Mn no suelen presentar problemas de soldabilidad. Pueden ser soldados sin precalentamiento cuando el espesor de la unión es inferior a 25,4 mm (1"). Y cuando el embridamiento de la junta no es alto.
Los aceros entre 0,3 y 0,5%C presentan ya una soldabilidad limitada debido a su tendencia a la formación de martensita en la ZAC. Estos aceros deben ser precalentados adecuadamente, eligiendo la temperatura de precalentamiento en función del C.E. el espesor de la unión soldada y del proceso de soldadura cuando el acero presenta un C.E. entre 0,45 y 0,6 se recomienda precalentar la pieza a soldar entre 90° y 200°C. La temperatura entre pasadas debe ser la misma elegida para el precalentamiento.
Es recomendable asimismo aplicar un tratamiento de alivio de tensiones posterior a la soldadura, especialmente cuando se sueldan piezas de espesor grueso, elementos fuertemente embridados o cuando las condiciones de operación del elemento soldado involucran la presencia de cargas de impacto y/o dinámicas. El alivio de tensiones se realizará seguido de un enfriamiento lento a fin de evitar la formación de tensiones residuales en la unión soldada. El material de aporte empleado para soldar estos aceros debe ser necesariamente de bajo hidrógeno. Otra consideración importante es la dilución que se puede producir durante la soldadura y que fomenta el aumento del % C en la zona de fusión. Ello puede producir un aumento de la dureza y de la fragilidad fr agilidad en la zona de fusión. Para limitar la dilución se pueden, emplear bajos calores de aporte, múltiples pasadas y/o procesos de “enmantequillado buttering” de la junta a soldar.
Los aceros con más de O,5% C presentan un soldabilidad muy mala, pues estos aceros son muy templables y tienden a formar martensita dura y frágil después de la soldadura que eleva mucho el riesgo a la fisuración en frío. Para evitar ello es necesario precalentar la unión soldada a temperaturas por encima de los 200°C y efectuar tratamientos térmicos postsoldadura.
1.- Para soldar estos aceros se pueden emplear todos los procesos de soldadura convencionales. 2.- El material de aporte debe permitir depositar un metal de iguales características de composición química y propiedades mecánicas que el metal base a soldar. 3.-Se suelen emplear por lo general consumibles de la misma composición química o ligeramente mas aleados que el metal base.
El material de aporte debe ser de bajo hidrógeno, empleándose aceros de baja aleación, aceros inoxidables como el E309, E312 ó aleaciones base níquel como el ENiCrFe-3 por ejemplo. Para lograr una buena soldadura en estos aceros es muy importante procedimiento de soldadura, que sea calificado de manera rigurosa.
Estos aceros también llamados "microaleados" son aleaciones que contienen pequeñas cantidades de elementos aleantes como Nb, V, Cr, Mo, Ni, N, P, Ti, V, Zr < 0,1%), los cuales producen un incremento importante en la resistencia mecánica y en la tenacidad de estos aceros.
Estas aleaciones tienen mejores propiedades mecánicas y de resistencia a la corrosión que los aceros al carbono. Uno de los primeros aceros HSLA fue el acero COR- TEN desarrollado ya desde 1930 que posee una resistencia a la corrosión atmosférica 5 veces mayor que la de un acero al carbono.
Las aplicaciones más importantes de estas aleaciones están en la industria de fabricación automotriz, fabricación de puentes y estructuras metálicas así como de embarcaciones marinas, submarinos, grúas y maquinaria pesada.
La imagen anterior representa las regiones que se generan en una soldadura, observadas en una macrografía, estas son: La Región Fundida: es aquella adonde se produce la fusión y posterior solidificación del metal de aporte (si existe), el cual se “mezcla” con el metal base y genera el “metal de soldadura”.
La elección del metal de aporte tiene en cuenta: - *La composición química del electrodo. - *Dilución con el metal base. - *Sistemas de flux o gases de protección. - *Solidificación de la pileta soldada, enfriamientos y transformaciones posteriores.
La Línea de Fusión: es la interfaz entre la región fundida y la región en estado sólido, normalmente es la zona más propicia a inicio de fisuras, ya que existen áreas con fusión parcial. La Zona Afectada por el Calor (ZAC/ZAT) es la región del metal base que sufre ciclos de calentamiento y enfriamiento debido al aporte térmico de la soldadura.
En términos de selección de materiales las características de servicio de la ZAC deberán ser enfatizadas mucho más que aquellas vinculadas con el metal de aporte. Esto es debido a que las propiedades metalúrgicas y mecánicas de la ZAC son directamente vinculadas con los parámetros de soldadura y los tratamientos térmicos post soldadura (PWHT). Es también cierto que cualquier problema de soldabilidad asociado con las características de la ZAC es más difícil de manejar que los asociados con el metal de aporte. Los problemas de soldabilidad asociados con el consumible pueden solucionarse cambiando el mismo o los otros consumibles de soldadura. Mientras que los problemas asociados con la ZAC algunas veces pueden ser resueltos modificando el metal base (lo cual suele resultar costoso) y / o el aporte térmico.
La importancia de la zona afectada por calor la podemos apreciar en la siguiente figura donde comparamos comparam os la temperatura máximas que se alcanzan en cada una de las regiones de la misma con el diagrama de equilibrio Fe-Fe3C (metaestable). Estas regiones son: la zona de grano crecido; zona de grano refinada; regiones intercríticas, subcríticas y parcialmente modificadas. Sin embargo la ZAC sufre procesos metalúrgicos que involucran calentamientos y enfriamientos muy rápidos, es por ello que resulta más cómodo asociarla con diagramas de enfriamientos continuos. Por lo que las curvas CCT (Continuous Cooling Transformation) son más apropiados para predecir las microestructuras en la ZAC.
F R e e - l F e a c 3 i C ó n y e Z n A t r C e d d i a e g u r n a a m s a o d l d e a e d q u u r a i l . i b r i o
Un parámetro útil para evaluar la soldabilidad de los aceros es el concepto de CARBONO EQUIVALENTE (CEQ). Este consiste en una ecuación que relaciona la composición química del material. Hay distintas ecuaciones para calcular el CEQ, veremos solo dos de ellas. El carbono equivalente de una acero es la medida de su tendencia potencial a figurarse durante la soldadura. El valor del carbono equivalente se calcula aplicando la fórmula que ampara los elementos que componen químicamente el acero con sus ponderados coeficientes de influencia en el agrietamiento durante la soldadura en relación al C. Es una forma de estimar la soldabilidad de los aceros al carbono.
El Código API 1104- A B presenta la ecuación desarrollada por el Instituto Internacional I nternacional de Soldadura, y cuya expresión es la siguiente:
En Japón se utilizan un parámetro denominado PCM y que caracteriza mejor el efecto de los elementos de aleación en los aceros al carbono de alta resistencia y baja aleación (aceros HSLA – o aceros microaleados), este es:
Aunque estas ecuaciones fueron inicialmente desarrolladas desarrollad as para caracterizar la tendencia a la fisuración por hidrógeno para aceros de chapas, estas se utilizan para evaluar el endurecimiento del acero basado en su composición química.
Como regla general, un acero se considera soldable si el carbono equivalente (CEIIW) según la fórmula del International Institute of Welding es menor a 0,4%. Este valor estaría indicando cómo los elementos de aleación presentes en el acero afectan las transformaciones características características favoreciendo la formación de microestructuras susceptibles a fisuración por hidrogeno en la ZAC. El carbono equivalente provee una indicación del tipo de microestructura esperada esperada en la ZAC en función de la velocidad de enfriamiento desde una temperatura máxima.
Esta figura muestra el diagrama de Graville, el cuál resulta resulta una herramienta útil para evaluar la necesidad de precalentamiento o tratamiento térmico post soldadura basada en conceptos de composición química (no considera espesor), en el mismo se grafica la relación entre Carbono y el CEQ del metal base y considera 3 zonas.
Zona I: Aceros de bajo carbono y bajo endurecimiento no susceptibles a fisuras. Zona II: Aceros con mayor porcentaje de Carbono y bajo endurecimiento, el riesgo a fisuras en la ZAC puede ser evitado mediante el control de la velocidad de enfriamiento, por medio del aporte térmico o en menor extensión el precalentamiento. Zona III: Aceros con elevado porcentaje de carbono y alto endurecimiento y en todas las condiciones de soldadura pueden producir microestructuras susceptibles a fisuras.
Desde el punto de vista de selección de parámetros de soldadura este diagrama indicaría que si por su composición química un acero se ubica en la zona II su soldadura debe involucrar el uso de procesos de bajo hidrogeno y precalentamiento, mientras que si un acero es ubicado en la Zona III se deben aplicar procesos de bajo hidrógeno, precalentamiento y tratamientos térmicos post soldadura.
Trabajo Final de la materia: «Soldabilidad de Metales Ferrosos y No Ferrosos» realizado por el alumno:
Bernal Corona Jesús Uriel
